JP5625496B2

JP5625496B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP5625496B2
Application number: JP2010122551A
Authority: JP
Inventors: 藤井　裕二; 裕二藤井; 正也武部; 信尚一法師
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: JP2011249196A

Description

本発明は一般家庭やレストラン及びオフィス、あるいは工場などで使用される誘導加熱装置に関するものである。

従来の誘導加熱装置である誘導加熱調理器を例に取り上げ説明する。放熱体に取り付けられたスイッチング手段を印刷配線板に取付けると共に、この印刷配線板にサーミスタ等の温度検知素子を取付けて、スイッチング手段の近傍の温度を検知し、この温度がある値に上昇したら、インバータ回路の入力を制限してスイッチング手段等のインバータ回路を構成するパワー電子部品を熱破壊から保護する技術が開示されている。

特開平１０−１５４５７９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、インバータ回路の入力の低下に比例してパワー電子部品の熱的責務も軽減される場合には有用であるが、そうでない場合、例えば、通常スイッチング手段のターンオン時はゼロ電流スイッチングをしていれば、インバータ回路の入力とスイッチング手段の損失（導通損失とターンオフ損失）はほぼ比例するが、ターンオン時にゼロ電流ではなくターンオン電流が発生するとターンオン損失が支配的となる場合があり、インバータ回路の入力を低減すべくスイッチング手段の導通時間や駆動時間比を小さくしてもスイッチング手段の導通損失及びターンオフ損失は低減するが、ターンオン損失は低減しないため、スイッチング手段の全損失の低減幅が少なく、インバータ回路の入力制限が早期に始まり、調理器の場合であれば、鍋等の負荷への誘導加熱出力が低下するタイミングが早まるため、その調理に必要な火力が得られなくなったり、最悪の場合、パワー電子部品を熱破壊保護できない場合があるという課題を有していた。

また、インバータ回路の入力を制限しても、温度検知素子が検知する温度が更に上がる場合は、段階的に入力制限値を下げていくことも考えられるが、その場合更に負荷への誘導加熱出力が少なくなるため、使い勝手が悪いという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スイッチング手段のターンオン時にターンオン電流が生じ、インバータ回路の入力を制限してもスイッチング手段の損失が大きく低減できない場合において、インバータ回路を実装した印刷配線板に備えた温度検知手段の検知する温度や温度変化が閾値を超えた際に負荷の材質判定を実施し直して、スイッチング手段の駆動周波数が、負荷の材質や形状や電気特性に適合させることを試みるようにして、スイッチング手段がターンオン電流を生じない駆動周波数で負荷を誘導加熱する機会を増やし、パワー部品の熱保護のための誘導加熱出力の低下による使い勝手の劣化を防止した誘導加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、交流電源と、前記交流電源を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波交流に変換して負荷を誘導加熱する、スイッチング手段、加熱コイル、及び共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路と、前記スイッチング手段を取り付けた放熱体と、前記制御回路及び前記インバータ回路の一部または全部が搭載される、絶縁部材と導体箔とで形成された印刷配線板と、を備え、前記制御回路は、前記印刷配線板上に設置され、前記スイッチング手段または前記放熱体または前記スイッチング手段の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板の雰囲気の温度を測定する温度検知手段と、前記インバータ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、前記基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動する駆動手段と、を有し、前記駆動手段が前記基本駆動周波数を選択して前記スイッチング手段を駆動し、動作開始時に材質判定した直後とその後で、前記加熱コイルと前記負荷の相対的な位置が異なった場合、及び前記負荷の電気的特性が加熱継続により変化してしまう場合に、前記温度検知手段が検知した温度または温度変化の少なくともいずれか一方が予め定めた対応する所定の閾値を超えた際に、前記インバータ回路の動作を停止せずに、前記スイッチング手段の導通比、駆動時間比または駆動周波数を所定の値に変更する前の負荷の誘導加熱出力よりも出力が少なくなる側に設定した前記所定の値に固定して、前記材質判定手段にて前記負荷の材質を再判定する構成としたものである。

これによって、加熱開始時に判定した負荷の材質や形状が何らかの要因、熱による負荷の電気特性の変化、負荷の加熱コイルに対する位置が変わったことによる加熱コイルとの
磁気結合の変化等で、最初に決定していたスイッチング手段の基本駆動周波数での動作が、変化した状態の負荷を誘導加熱するためには、スイッチング手段にターンオン電流を発生させて動作するような適さない状態になった際に、温度検知手段が検知する温度や温度変化が対応する所定の閾値を超えたら、インバータ回路を停止することなく、スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に変更する前の負荷の誘導加熱出力よりも出力が少なくなる側に設定した所定の値に固定して、現状の負荷の状態や材質に適するかどうかを、材質判定手段で材質判定することにより、インバータ回路を再起動し負荷の材質判定を行う際に、誘導加熱が一時的に停止して所望の誘導加熱出力に到達するまでの時間が生じることに対して、所望の誘導加熱出力に速く復帰させて、誘導加熱出力の途切れを最小限に留めると共に、変化した負荷の電気的状態に対して適したスイッチング手段の基本駆動周波数にして、基本駆動周波数を変えずに誘導加熱出力を抑制することでは排除されない意図しないスイッチング手段の熱的ストレスを除去することができる。また、インバータ回路を構成するスイッチング手段等のパワー部品の電気的や熱的責務を、現動作時より増加することなく、低減した状態で負荷の材質判定を行うことができる。

本発明の誘導加熱装置は、インバータ回路が実装された印刷配線板に温度検知手段を搭載し、パワー部品や大電流の流れる導体箔、それら周辺の雰囲気温度等を検知して、加熱開始時に判定した負荷の材質や形状が何らかの要因、熱による負荷の電気特性の変化、負荷の加熱コイルに対する位置が変わったことによる加熱コイルとの磁気結合の変化等で、最初に決定していたスイッチング手段の駆動周波数が、変化した状態の負荷を誘導加熱するためには、スイッチング手段にターンオン電流を発生させて動作させる状態になり、温度検知手段が検知する温度や温度変化が所定の閾値を超えたら、材質判定手段による負荷の材質判定動作を再実施して、変化した負荷の電気的状態に対して適したスイッチング手段の駆動周波数にして、駆動周波数を変えずに誘導加熱出力を下げることでは排除されないスイッチング手段の熱的ストレスを除去して、パワー部品の熱保護のための負荷への誘導加熱出力を抑制する頻度を低減することで、使い勝手の劣化を防止することができる。

（ａ）本発明の実施の形態１における加熱調理器のブロック図（ｂ）本発明の実施の形態１における要部斜視図本発明の実施の形態１における要部上面図本発明の実施の形態１における負荷材質判定領域図本発明の実施の形態１におけるスイッチング手段の動作時電流波形図

第１の発明は、交流電源と、前記交流電源を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波交流に変換して負荷を誘導加熱する、スイッチング手段、加熱コイル、及び共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路と、前記スイッチング手段を取り付けた放熱体と、前記制御回路及び前記インバータ回路の一部または全部が搭載される、絶縁部材と導体箔とで形成された印刷配線板と、を備え、前記制御回路は、前記印刷配線板上に設置され、前記スイッチング手段または前記放熱体または前記スイッチング手段の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板の雰囲気の温度を測定する温度検知手段と、前記インバータ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、前記基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動する駆動手段と、を有し、前記駆動手段が前記基本駆動周波数を選択して前記スイッチング手段を駆動し、動作開始時に材質判定した直後とその後で、前記加熱コイルと前記負荷の相対的な位置が異なった場合、及び前記負荷の電気的特性が加熱継続により変化してしまう場合に、前記温度検知手段が検知した温度または温度変化の少なくともいずれか一方が予め定めた対応する所定の閾値を超えた際に、前記インバータ回路の動作を停止せずに、前記スイッチング手段の導通比、駆動時間比または駆動周波数を所定の値に変更する前の負荷の誘導加熱出力よりも出力が少なくなる側に設定した前記所定の値に固定して、前記材質判定手段にて前記負荷の材質を再判定する構成としたものである。これにより、通常は駆動手段によりインバータ回路のスイッチング手段を駆動して、交流電源を整流回路で整流した直流を高周波交流に変換し共振コンデンサと加熱コイルで形成される共振回路に高周波電流発生し、加熱コイルに高周波電流を供給し、加熱コイルから発生する磁束により負荷を誘導加熱する。この時、スイッチング手段を駆動し、インバータ回路を動作させ、負荷を誘導加熱し始めた時に、制御要素検知手段で検知したインバータ回路に発生する電気的制御要素、例えば、共振コンデンサの両端電圧や電流、加熱コイルの両端電圧や電流を基に得られる、加熱対象の負荷の電気特性から、材質や形状を材質判定手段で判定し、これによって予め定めた材質に対応した、ス
イッチング手段の基本駆動周波数を選択して決定し、この決定した基本駆動周波数で駆動してインバータ回路を動作させている。負荷への誘導加熱出力の制御は、入力電流検知手段が検知している値が所望の値となるように、スイッチング手段の導通時間等を可変することで行っている。

また、インバータ回路が動作している間はスイッチング手段はスイッチング損失により発熱するが、発熱した熱はスイッチング手段を取り付けた放熱体を介して放熱し、スイッチング手段や放熱体の温度上昇を抑制している。

ここで、何らかの原因、熱による負荷の電気特性の変化、負荷の加熱コイルに対する位置が変わったことによる加熱コイルとの磁気結合の変化等で、インバータ回路動作開始時に決定したスイッチング手段の基本駆動周波数では、加熱コイルと負荷の磁気結合による相互インダクタンスと共振コンデンサとの共振周波数が変わってしまうために、スイッチング手段がターンオン電流を発生させて動作していると、ターンオン電流が無い場合に比して、スイッチング手段のスイッチング損失が増大することにより発熱量も増大し、スイッチング手段及びスイッチング手段を取り付けた放熱体の温度が上昇する。このとき、印刷配線板上に配置された温度検知手段でスイッチング手段または放熱体またはスイッチング手段の端子に接続された導体箔または印刷配線板の雰囲気の温度または温度変化を検知しているので、この温度または温度変化が、予め定めた所定の閾値を超えると、駆動手段はスイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に変更する前の負荷の誘導加熱出力よりも出力が少なくなる側に設定した所定の値に変更の後、所定時間だけ固定して、その間に、インバータ回路が動作開始時に行う材質判定とは別の予め定めた判定閾値にて、材質判定手段による負荷の材質判定を行った後に、所望の入力電流になるようにインバータ回路の動作を制御する。この動作によって、インバータ回路を再起動し負荷の材質判定を行う際に、誘導加熱が一時的に停止して所望の誘導加熱出力に到達するまでの時間差が生じることに対して、インバータ回路を停止せずに、負荷の材質判定を行うことができるので、所望の誘導加熱出力に速く復帰させて、誘導加熱出力の途切れを最小限に留めることができる。また、インバータ回路を構成するスイッチング手段等のパワー部品の電気的や熱的責務を、現動作時より増加することなく、低減した状態で負荷の材質判定を行うことができる。

これによって、スイッチング手段の基本駆動周波数を再選択して、状態の変わった負荷の電気特性や加熱コイルとの磁気結合に適した駆動周波数にて動作させることにより、ターンオン電流が発生しないような動作モードにして、スイッチング手段のスイッチング損失を低減し、スイッチング手段の熱的責務を軽減すると共に、負荷への誘導加熱出力の過剰な入力制限無く、誘導加熱を継続することができる。

また、温度検知手段を直接印刷配線板に他の電子回路部品と同様に搭載するので、放熱体やスイッチング手段に直接取り付けるための、取り付け金具や取り付けビス、さらに信号線やコネクタを必要とせず、部品点数を抑えた簡素な構成で実現し信頼性を高めることができる。

第２の発明は、交流電源と、前記交流電源を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波交流に変換して負荷を誘導加熱する、スイッチング手段、加熱コイル、及び共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路と、前記スイッチング手段を取り付けた放熱体と、前記制御回路及び前記インバータ回路の一部または全部が搭載される、絶縁部材と導体箔とで形成された印刷配線板と、を備え、前記制御回路は、前記印刷配線板上に設置され、前記スイッチング手段、前記放熱体または前記スイッチング手段の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板の雰囲気の温度を測定する温度検知手段と、前記インバータ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的
に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、前記基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動する駆動手段と、を有し、前記駆動手段が前記基本駆動周波数を選択して前記スイッチング手段を駆動し、動作開始時に材質判定した直後とその後で、前記加熱コイルと前記負荷の相対的な位置が異なった場合、及び前記負荷の電気的特性が加熱継続により変化してしまう場合に、前記温度検知手段が検知した温度または温度変化の少なくともいずれか一方が予め定めた対応する所定の閾値を超えた際に、前記材質判定手段での前記負荷の材質を再決定すべく、前記スイッチング手段の駆動を一旦止め、前記インバータ回路の動作を停止して再起動し、前記材質判定手段による動作開始時の負荷の材質判定を行う構成としたものである。これにより、スイッチング手段の駆動を一旦止め、インバータ回路の動作を停止して、再び動作させて、材質判定手段による負荷の材質判定を行った後に、所望の入力電流になるようにインバータ回路の動作を制御することで、スイッチング手段の導通比または駆動時間比または駆動周波数を所定の値に固定して、別の判別閾値にて負荷の材質を再判定する場合に対して、元の誘導加熱出力に復帰するまでの時間差が大きくなるものの、別の判別閾値を設ける必要が無く、インバータ回路動作開始時に行う材質判定に用いる判別閾値と同じものを使用できるので、判別閾値を決定する設計要因を減らして簡単にすることができると共に、この判別閾値を記憶しておくマイクロコンピュータ等の記憶領域を低減することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、インバータ回路に第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段とを有し、駆動手段は前記第１のスイッチング手段と前記第２のスイッチング手段を交互に駆動すると共に、前記第１のスイッチング手段及び前記第２のスイッチング手段の導通比若しくは駆動時間比を増減、または選択した基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲内で駆動周波数を増減し、入力電流検知手段が検知する値が一定になるようにすることで負荷への誘導加熱出力を制御する構成としたものである。これにより、２つのスイッチング手段を交互に駆動することで、定めた基本駆動周波数にて、駆動時間比を可変する、あるいは基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲で駆動周波数を可変することで、加熱コイルのインダクタンスや共振コンデンサの静電容量を切り替えることなく、基本駆動周波数を切り替えることにより負荷の材質に適した動作モードにすると共に、同一材質の負荷を加熱する際には基本駆動周波数が略同一にできるので、複数の誘導加熱装置にて同時動作させた時の負荷に印加される高周波磁界の周波数差による干渉音の発生頻度を抑制して、インバータ回路の負荷への誘導加熱出力を容易に制御することができる。

以下本発明の誘導加熱装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を誘導加熱装置である誘導加熱調理器を例に取り上げ、図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。また、図１（ｂ）は本発明の実施の形態における要部斜視図、図２は本発明の実施の形態における要部上面図、図３は本発明の実施の形態における負荷材質判定領域図、図４は本発明の実施の形態におけるスイッチング手段の動作時電流波形図である。

図１（ａ）及び（ｂ）において、交流電源１を整流するブリッジ接続されたダイオードから成る整流回路２、チョークコイル３ａ及びコンデンサ３ｂからなる平滑回路３、第１のスイッチング手段４ａと第２のスイッチング手段４ｄと共振コンデンサ４ｂと加熱コイル４ｃを含むインバータ回路４を備え、加熱コイル４ｃから高周波電流を供給されることにより鍋等の負荷５に高周波交番磁界を印加して負荷５の誘導加熱を行う。制御回路６はインバータ回路４の動作を制御するため、第１のスイッチング手段４ａと第２のスイッチング手段４ｄを交互にオンオフ駆動し、その駆動時間比、或いは駆動周波数を可変して加熱コイル４ｃへ供給する高周波電流を制御する駆動手段７と、インバータ回路４の入力電流を検知する入力電流検知手段８と、被加熱体となる鍋等の負荷５への誘導加熱出力に対応した制御要素値を検知する制御要素検知手段（共振電圧検知手段９）と、制御要素検知手段の出力から負荷５の有無及び材質を判定する材質判定手段１０と、第１のスイッチング手段４ａまたは第２のスイッチング手段４ｄ、または放熱体１２、または第１のスイッチング手段４ａあるいは第２のスイッチング手段４ｄの端子に接続された導体箔、または印刷配線板１３の雰囲気の温度を測定する温度検知手段１１を備える。また第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄは放熱体１２に取り付けられると共に、印刷配線板１３は放熱体１２を含むインバータ回路４の一部または全部と、温度検知手段１１を含む制御回路６の一部または全部を搭載し、印刷配線板１３の導体箔は制御回路６及びインバータ回路４を構成する電気回路部品の必要なもの同士の部品リード部とはんだ接合等により電気的に結合している。尚、本実施の形態では制御要素検知手段を共振コンデンサ４ｂの両端電圧を検知する共振電圧検知手段９とした場合を説明する。

駆動手段７がインバータ回路４の第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄを駆動して、交流電源１を整流回路２で整流し、平滑回路３で平滑した直流を高周波交流に変換し、加熱コイル４ｃに高周波電流を供給し、加熱コイル４ｃから発生する磁束により負荷５である鍋を誘導加熱する。負荷５の加熱火力は、駆動手段７の出力で第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動タイミングを変化させて、加熱コイル４ｃに供給する高周波電流を変化させて制御している。この時、入力電流検知手段８が検知した入力電流が所望の値となるように、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動時間比を増減、または選択した基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲内で駆動周波数を増減して負荷５への誘導加熱出力を制御する。本実施の形態では第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動時間比は、第２のスイッチング手段４ｄの導通時間に対する第１のスイッチング手段４ａの導通時間の比であり、この駆動時間比が予め定めた最小値から最大値に増加させることで、負荷５の誘導加熱出力も単調増加するように、共振コンデンサ
４ｂの静電容量、加熱コイル４ｃのインダクタンス、加熱コイル４ｃと負荷５との距離等を設定している。

基本駆動周波数は、インバータ回路４の動作開始時（起動時）に得られる、本実施の形態では、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動周波数を２３ｋＨｚ、駆動時間比を最小設定とした際の、負荷５の材質や形状に起因する共振電圧検知手段９の出力に基づいて、図３に示すような予め定めた材質判定領域に応じて、鉄や有磁性ステンレス等の高透磁率、低導電率の負荷５であれば、第１の基本動作周波数２３ｋＨｚ、非磁性ステンレス等の低透磁率、低導電率の負荷５では第２の基本動作周波数３０ｋＨｚとして誘導加熱し、前記２種の材質でも加熱コイル４ｃとの磁気結合が弱くなるナイフ等の小物、小径鍋、あるいはアルミ等の低透磁率、高導電率の負荷５、あるいは無負荷状態では、負荷無しと判断して、誘導加熱しないようにしている。誘導加熱する場合は、この決定した基本駆動周波数で第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動時間比を増減して負荷５への誘導加熱出力を制御するが、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動時間比を最大にしても、所望の入力電流に到達しない場合、本実施の形態では、基本駆動周波数から更に２ｋＨｚを上限として、駆動周波数を減じて所望の入力電流に可能な限り近づくような制御を行っている。これは、同一材質の複数の負荷５を複数のインバータ回路４にて同時に誘導加熱した際には、各負荷に印加される高周波磁界の周波数を略同一にして、周波数差に起因する可聴域の干渉音の発生頻度を抑制するものである。また、誘導加熱可能と判定した負荷５の材質に依って、基本駆動周波数を切り替えるようにしているのは、共振コンデンサ４ｂの静電容量や加熱コイル４ｃのインダクタンスをリレー等の大容量接点で切り替えること無く、基本駆動周波数を切り替えることによって、負荷５の材質に適した動作を実現するためであり、鉄や有磁性ステンレス等の高透磁率、高導電率材質の負荷５では、加熱コイル４ｃとの結合が強く、加熱コイル４ｃとの相互インダクタンスが大きくなり、高い駆動周波数では最大誘導加熱出力が小さくなるため、可聴域以上で可能な限り駆動周波数を低く設定することにより所望の誘導加熱出力を得やすくしている。

インバータ回路４が動作している間は、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの導通損失及びスイッチング損失によって各スイッチング手段は発熱するが、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄはアルミニウム等から成る放熱体１２に取り付けられ熱接続されているので、放熱体１２を介して放熱される。さらにインバータ回路４の動作が続くと第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの発熱が継続し、放熱体１２の温度も上昇する。この状態が続き第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの温度が上昇し続け、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの許容耐熱温度を超えると第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄは熱暴走あるいは熱破壊を生じインバータ回路４は動作不能となる。そこでインバータ回路４の動作中は第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの温度上昇を抑制するために、冷却ファン（図示せず）により冷却風を主に放熱体１２及び第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄに送っている。

また、図１（ｂ）に示すようにサーミスタから成る温度検知手段１１は、印刷配線板１３上の放熱体１２のごく近傍にハンダ付け等により他の電気部品と同様に取り付けられているので、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄのスイッチング損失によって変化する放熱体１２の温度を精度良く検知する。また、放熱体１２に温度検知手段１１を直接機械固定する構成の場合、放熱体１２に取り付け金具や取り付けビスを用いて機械的に取り付けると共に、印刷配線板１３に配置された制御回路６に温度検知手段１１が温度を検知した信号を伝達する信号線やコネクタを介して印刷配線板１３に接続せねばならなかったが、温度検知手段１１にサーミスタを用いて印刷配線板１３にハンダ付け等により取り付けることにより、組立工数や部品点数及び部品コストを削減している。

更に、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの主電流の流れる低電位側、本実施
の形態では第２のスイッチング手段４ｄの低電位側と、温度検知手段１１との電位差（１０Ｖ以下）は、制御回路６やその中に含まれる温度検知手段１１の動作基準電位を第２のスイッチング手段４ｄの低電位側端子と同電位としているので、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの主電流の流れる高電位側、本実施の形態では第１のスイッチング手段４ａの高電位側及び低電位側または第２のスイッチング手段４ｄの高電位側と温度検知手段１１との電位差（１００Ｖ以上）程大きくなく、絶縁に必要な空間距離が少なくて良いので、図２に示すように温度検知手段１１であるサーミスタを第２のスイッチング手段４ｄの主電流の流れる低電位側の端子に接続された印刷配線板１３の導体箔に隣接させたり、該導体箔を覆うように配置すれば、第２のスイッチング手段４ｄの発熱により、第２のスイッチング手段４ｄの主電流の流れる低電位側の端子から、これに接続された印刷配線板１３の導体箔に伝わる伝導熱からも受熱するので、さらに精度良く第２のスイッチング手段４ｄ及び放熱体１２の温度を検知することができる。

一般的にはインバータ回路４の入力電力の増加に伴って加熱コイル４ｃと共振コンデンサ４ｂの損失、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄのスイッチング損失も増加して、これに伴う発熱も増加する。逆にインバータ回路４の入力電力が減少すれば、加熱コイル４ｃと共振コンデンサ４ｂの損失、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄのスイッチング損失も減少して、これに伴う発熱も減少する。しかし、本実施の形態のように、インバータ回路４の動作開始時に共振電圧検知手段９にて検知した値に基づき材質判定手段１０にて決定した負荷５の材質や形状に対応したインバータ回路４の動作状態、つまり加熱するかどうか、加熱する場合の基本駆動周波数をどれにするかを決定するので、例えば、加熱コイル４ｃと負荷５の相対的な位置がインバータ回路４の動作開始時に材質判定した直後と、その後で相対的な位置が異なったり、加熱コイル４ｃと負荷５の相対的な位置は変わらずとも、負荷５の電気的特性が加熱による熱によって変化してしまうような場合、等では、加熱を継続する際には本来加熱対象の負荷５の材質や形状に適したインバータ回路４を動作させる基本駆動周波数ではない場合が発生する。

例えば、本来、加熱コイル４ｃと負荷５が規定の位置であれば、低透磁率、高抵抗である非磁性ステンレス材質の負荷５で基本駆動周波数を３０ｋＨｚとして動作させるのが適している負荷５であっても、加熱コイル４ｃと負荷５が規定の位置から有る程度以上ずれたり離れたりしていると、高透磁率、高抵抗の鉄や有磁性ステンレス材質の負荷５と判別して、基本駆動周波数を２３ｋＨｚとして図４（ａ）に示す波形で動作する。この状態のままであれば、加熱コイル４ｃから見た負荷５の電気特性は鉄や有磁性ステンレス材質であり、ターンオン電流を生じながらで動作することは無く問題無いのであるが、加熱の途中で加熱コイル４ｃと負荷５が規定の位置に戻されてしまうと、図４（ｂ）のように第１のスイッチング手段４ａがターンオン電流を伴う動作となる場合がある。この時に共振電圧検知手段９でインバータ回路４の動作状態の変化を識別できれば、上記動作の場合は基本動作周波数を非磁性ステンレス材質の負荷５に適した３０ｋＨｚに変更すれば良いのであるが、識別できない場合は、ターンオン電流を伴うままの動作を継続する。この時ターンオン損失が大き過ぎ冷却ファン（図示せず）の能力を超えて、加熱継続すると第１のスイッチング手段４ａが熱破壊する。これを避けるため、本実施の形態では温度検知手段１１が検知するスイッチング手段やそれに接続される導体箔や放熱体１２の温度あるいは所定時間内の温度上昇量が予め定めた所定の閾値を超えた場合は、インバータ回路４の動作を一時停止して約２秒後に再スタートさせて、材質判定手段１０での負荷５の材質、形状判定をやり直す動作をする。これにより、負荷５の状態に応じた基本駆動周波数を再選択して、負荷５が略規定の位置に有れば、基本駆動周期数は３０ｋＨｚが選択され、図４（ｃ）に示す動作にして、これ以降にターンオン電流を伴う動作をする機会を排除する。この後は、入力電流検知手段８の検知した値が所望の値となるように、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動時間比または駆動周波数を調整する動作を行う。この材質判定動作を行うことで、インバータ回路動作開始時に行う材質判定に用いる図３に示す判
別閾値と同じものを使用して、判別閾値を決定する設計要因を減らすと共に、この判別閾値を記憶しておくマイクロコンピュータ等の記憶領域量を低減している。

但し、この時、インバータ回路４が再起動することによる誘導加熱動作の中断時間が長くなることが問題となる場合は、インバータ回路の動作を停止せず、設定されているインバータ回路４への所望の入力電流よりも小さくなる方向に第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動時間比を調整してインバータ回路４への入力電流を減少して第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの電気的、熱的責務が少ない状態にすると共に、その駆動時間比を一定時間、本実施の形態では約１秒間（インバータ回路再起動時の待機時間約２秒よりも短い時間）固定して、その間に材質判定手段１０で別に定めた材質判定領域に基づいて負荷５の材質判定を実施し、負荷５に適した基本駆動周波数を再選択する動作を行うことで誘導加熱動作の中断を無くし、誘導加熱出力を元の出力より規定量だけ低下させた状態で可能として、材質再判定動作に伴う誘導加熱出力の低下時間を短縮し且つ、所望の誘導加熱出力への復帰を早めることができる。また、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動周波数を２３ｋＨｚ、駆動時間比を最小にして材質判定するようにすれば、インバータ回路動作開始時の材質判定領域と同じものを使用できる。

温度検知手段１１の配置は、第１のスイッチング手段４ａの主電流が流れる端子の低電位または高電位側、第２のスイッチング手段４ｄの主電流が流れる端子の高電位側に接続された導体箔の温度を検知したい場合は、絶縁距離を得るために、該導体箔の絶縁部材を介して対向した面に配置すれば、印刷配線板１３の絶縁部材を介して該導体箔の温度を検知することができる。

なお、本実施の形態では、インバータ回路４はスイッチング手段を２個含む構成としているが１個及び３個以上有する構成、共振コンデンサを１個含む構成としているが２個以上有する構成、加熱コイルを１個含む構成としているが２個以上有する構成であっても、同様の効果が得られるのは言うまでもない。

また、温度検知手段の設置箇所はスイッチング手段の発熱状態を相対的な相関に依って推定できる箇所であれば印刷配線板上のどこでも良く、加えて本実施の形態では温度検知手段を１個含む構成としているが、２個以上有する構成として複数の温度測定箇所で温度検知を行い、さらに細かい温度検知が可能となることは言うまでもない。

更に、負荷の材質判定に用いるインバータ回路から得られる制御要素を共振コンデンサの両端電圧としているが、共振コンデンサ電流、加熱コイル両端電圧、加熱コイル電流等、インバータ回路の動作状態を規定できる要素でも同様の効果が得られる。

また、本実施の形態ではアルミ等の低透磁率、高導電率の材質の負荷は加熱しない設定としているが、所望の駆動周波数を選択して加熱する設定としても同様の効果がある。本実施の形態では、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動周波数を２３ｋＨｚ、駆動時間比を最小設定とした際の、負荷５の材質や形状に起因する共振電圧検知手段９の出力に基づいて、負荷５の材質を判定し、それに適した基本駆動周波数を決定しているが、例えば、第１及び第２のスイッチング手段４ａ、４ｄの駆動周波数を６０ｋＨｚから３０ｋＨｚへと減じて、共振電圧検知手段９の出力の値にて、負荷５の材質を判別する方法等でも有用であり、負荷５の材質判定方法に関係なく、同様の効果が得られる。

本発明の誘導加熱装置は、誘導加熱を用いて金属製負荷を所望の誘導加熱加出力にて加熱する際に有用となるので、家庭用で有れば、誘導加熱調理器、誘導加熱炊飯器等に適用できる。

１交流電源
２整流回路
４インバータ回路
４ａ第１のスイッチング手段
４ｂ共振コンデンサ
４ｃ加熱コイル
４ｄ第２のスイッチング手段
５負荷
６制御回路
７駆動手段
８入力電流検知手段
９共振電圧検知手段（制御要素検知手段）
１０材質判定手段
１１温度検知手段
１２放熱体
１３印刷配線板

Claims

交流電源と、前記交流電源を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波交流に変換して負荷を誘導加熱する、スイッチング手段、加熱コイル、及び共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路と、前記スイッチング手段を取り付けた放熱体と、前記制御回路及び前記インバータ回路の一部または全部が搭載される、絶縁部材と導体箔とで形成された印刷配線板と、を備え、前記制御回路は、前記印刷配線板上に設置され、前記スイッチング手段、前記放熱体または前記スイッチング手段の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板の雰囲気の温度を測定する温度検知手段と、前記インバータ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、前記基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動する駆動手段と、を有し、前記駆動手段が前記基本駆動周波数を選択して前記スイッチング手段を駆動し、動作開始時に材質判定した直後とその後で、前記加熱コイルと前記負荷の相対的な位置が異なった場合、及び前記負荷の電気的特性が加熱継続により変化してしまう場合に、前記温度検知手段が検知した温度または温度変化の少なくともいずれか一方が予め定めた対応する所定の閾値を超えた際に、前記インバータ回路の動作を停止せずに、前記スイッチング手段の導通比、駆動時間比または駆動周波数を所定の値に変更する前の負荷の誘導加熱出力よりも出力が少なくなる側に設定した前記所定の値に固定して、前記材質判定手段にて前記負荷の材質を再判定する構成の誘導加熱装置。
交流電源と、前記交流電源を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波交流に変換して負荷を誘導加熱する、スイッチング手段、加熱コイル、及び共振コンデンサを含むインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路と、前記スイッチング手段を取り付けた放熱体と、前記制御回路及び前記インバータ回路の一部または全部が搭載される、絶縁部材と導体箔とで形成された印刷配線板と、を備え、前記制御回路は、前記印刷配線板上に設置され、前記スイッチング手段、前記放熱体または前記スイッチング手段の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板の雰囲気の温度を測定する温度検知手段と、前記インバータ回路への入力電流を検知する入力電流検知手段と、前記インバータ回路に発生する電気的制御要素を検知する制御要素検知手段と、前記インバータ回路の動作開始時に前記制御要素検知手段の出力を基に前記負荷の有無及び材質を判定する材質判定手段と、前記材質判定手段が判定した材質に応じて、離散的に設定した２つ以上の前記インバータ回路の基本駆動周波数を選択し、前記基本駆動周波数にて前記スイッチング手段を駆動する駆動手段と、を有し、前記駆動手段が前記基本駆動周波数を選択して前記スイッチング手段を駆動し、動作開始時に材質判定した直後とその後で、前記加熱コイルと前記負荷の相対的な位置が異なった場合、及び前記負荷の電気的特性が加熱継続により変化してしまう場合に、前記温度検知手段が検知した温度または温度変化の少なくともいずれか一方が予め定めた対応する所定の閾値を超えた際に、前記材質判定手段での前記負荷の材質を再決定すべく、前記スイッチング手段の駆動を一旦止め、前記インバー
タ回路の動作を停止して再起動し、前記材質判定手段による動作開始時の負荷の材質判定を行う構成の誘導加熱装置。
前記インバータ回路に第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段とを有し、前記駆動手段は前記第１のスイッチング手段と前記第２のスイッチング手段を交互に駆動すると共に、前記第１のスイッチング手段及び前記第２のスイッチング手段の導通比若しくは駆動時間比を増減し、または選択した基本駆動周波数に対して予め定めた周波数幅の範囲内で駆動周波数を増減し、前記入力電流検知手段が検知する値が一定になるようにすることで負荷への誘導加熱出力を制御する構成の請求項１または２に記載の誘導加熱装置。